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涡虫：具有再生能力的模式生物涡虫：具有再生能力的模式生物□本报记者许琦敏《西游记》里的孙悟空真是厉害，头砍掉了立马又冒由 一个来其实，有一类叫涡虫的动物，跟孙大圣的本领也不 相上下一一头切掉能新长个头由来，尾巴切掉重新长尾巴， 就算将它粉身碎骨成 279块，每一块都还能长由完整个体涡虫之所以具有如此强大的再生能力，主要原因是具体 内有一种类似于人类干细胞的细胞，而且这种细胞占涡虫细 胞总数的25% o涡虫具有几乎无限的再生能力，在未受损伤 的情况下，它能保持自己身体健康而不会死亡这使得它成 为科学家开展再生研究的一个非常难得的模型近年来，一系列涡虫相关的研究工具被陆续开发由来， 同时国际上多个顶级科研单位均建立了以涡虫为模式生物 的实验室相关成果也已登上《自然》 、《科学》等国际权威杂志中国科学家也已从涡虫中发现了近 50个参与到再生过程中的基因残体再生、长生不老，是人类自远古以来的愿望或许 找到这一门径的钥匙，就在涡虫身上惊人无限的再生能力涡虫能在一周内，重新长由切割掉的肌肉、 皮肤、肠道、 生殖系统，甚至整个大脑而在适宜的生长条件下且未受到 损伤的情况下，它能一直保持自身健康而不会死亡。

涡虫是涡虫纲动物的总称，是扁形动物门中营自由生活 （不需要寄生在其它生物体内）的一类它的进化地位并不 怎么高级，介于水螟（腔肠动物门）和蚯蚓（环节动物门） 之间涡虫的体表一般具有纤毛，并有典型的皮肤肌肉囊，以 强化运动机能，表皮中的杆状体有利于捕食和防御敌害它的感觉器官和神经系统一般比较发达，能对外界环境 如光线、水流及食物等迅速发生反应感觉器官包括眼、耳 突等等自由生活涡虫的体表特别是耳突处分布有丰富的触 觉感受器、化学感受器及水流感受器，它们分别感受触觉、 化学及水流的刺激涡虫具有2条发达的腹神经索，与“脑”形成了原始的中 枢神经系统涡虫类具有消化系统，有口无肛门，三角涡虫 消化管分为3支（一支向前2支向后）涡虫通过体表从水 中获得氧，并将二氧化碳排至水中原始的排泄系统为具焰 细胞的原肾管系统，具有渗透调节和排泄作用 生殖方式上, 涡虫是雌雄同体，异体交配最令科学家惊奇的是，这种广泛生活在洁净水质的池塘和溪流中的扁形动物门生物具有近于无限的再生能力，再生 过程也非常迅速一一涡虫能在一周内，重新长由切割掉的肌 肉、皮肤、肠道、生殖系统，甚至整个大脑而在适宜的生 长条件下且未受到损伤的情况下，它能一直保持自己身体健 康而不会死亡一一这简直就是传说中的长生不老。

涡虫具备这种超级再生能力的主要原因是具体内有一 种类似于人类干细胞的细胞这种细胞占涡虫细胞总数的 25%, 一旦涡虫受到损伤，这些细胞可以增殖，进而分化成 为涡虫体内大约40余种类型的细胞，再生由有功能的全新 的组织、器官直至一个完整的涡虫这种惊人的再生能力，使涡虫成为再生医学研究模式生 物的不二之选物种间最基本的生物学过程都是高度保守的由于进化 的原因，细胞生命在发育的基本模式方面具有相当大的同一 性，所以利用位于生物复杂性阶梯较低级位置上的物种来研 究发育共通规律是可能的因为对这些生物的研究具有帮助 我们理解生命世界一般规律的意义， 所以它们被称为“模式生物”在遗传与发育生物学常见的模式生物有线虫、 果蝇、非洲爪蟾、蝶螺、小鼠等因此，在实验室里，模式生物通常代替人类接受疾病机 理、药物筛选等一系列实验和研究正是得益于对不同生物 的研究，才使得人类在生物和医学领域不断取得新的突破人们最为耳熟能详的模式生物莫过于小白鼠小鼠来源 于野生期鼠，从17世纪开始用于解剖学研究及动物实验， 经长期人工饲养选择培育，已育成多达千余个独立的远交群 和近交系由于小鼠繁殖快，饲养管理费用低，并且遗传物 质与人类具有高度的保守性，所以成为生物医学研究中广泛 使用的模式生物，也是当今世界上研究最详尽的哺乳类实验 动物。

目前全世界每天约有 2500万只小鼠被用于生物医学 研究迄今为止，至少有 30项诺贝尔生理学或医学奖颁发 给了以小鼠作为模式生物研究的科学家从生命科学发展历史来看，重大生物学现象和规律的发现都是从选择一种合适的模式生物开始的， 早在150多年前,在奥地利布隆城的一所修道院中，孟德尔开始了他的豌豆杂 交试验，在苦心经营8年之后，孟德尔发表了他的研究论文， 并提由了遗传学中两个至关重要的遗传定律一一分离定律 和自由组合定律，现在统称为孟德尔定律除了夜以继日的 努力工作以及天才般的思考方式，孟德尔获得成功的一个极 其重要的因素是他选择了合适的模式生物一一豌豆在豌豆实验之后，遗传学中另一位举足轻重的科学家摩 尔根选择了黑腹果蝇作为模式生物进行研究他不仅仅发现 了染色体在遗传中的作用，更重要的是创造了果蝇这一优秀 的遗传学模式生物摩尔根与其弟子米勒均因果蝇遗传学研 究获得了诺贝尔奖实际上，早在19世纪末，摩尔根在专注于果蝇研究之 前，涡虫就进入了他的视野他之所以对涡虫感兴趣，就是 因为它具有极其强大的再生能力生物体的整体或器官因创伤而发生部分丢失，在剩余部 分的基础上又生长由与丢失部分在形态和功能上相同的结 构，这一系列复杂的生物学过程称为再生。

在再生的研究历史上有着各种各样的模式生物，水螟、 海星、蜗牛以及蜥蜴、娃娃鱼等都具有一定的再生能力，然 而在涡虫面前，这些模式生物的再生能力只能用“小巫见大巫” 来形容一一摩尔根发现将涡虫切割到身体大小的 279分之一时，涡虫仍具有再生能力，可以重新再生由一个完整的个体 这种超强的再生能力在自然界是无与伦比的在细致的研究的基础上，摩尔根发表了数十篇论文介绍 涡虫的再生现象但是由于技术手段的限制，涡虫再生机制 的研究进展非常缓慢近年来随着涡虫整体原位杂交技术和 RNAi敲低基因技术的由现，及地中海涡虫基因组测序的完 成，使得涡虫再生机制的研究走向具体化和系统化如今，科学家们则迫切地希望通过分析涡虫替换衰老的 或者受损的组织和细胞的能力，来帮助理解再生和长寿的奥 秘相信在全球众多科研工作者的共同努力下，人类必能解 开涡虫再生的秘密，进一步对人体组织甚至器官的再生提供 指导作用而涡虫也有可能在诺贝尔奖牌榜上留名研究组织再生的理想模型涡虫具备超级再生能力的主要原因，是具体内有一种类 似于人类干细胞的细胞而在人类体内虽然也存在着干细胞， 却没有办法像涡虫一样再生由受伤、缺失的器官这就是涡 虫的再生能力吸引无数生物学家注意的主要原因。

近十几年，干细胞研究迅速崛起，再生医学研究不断开 温，成为当今生物和医学领域的热点和前沿科学家发现， 在人类体内也存在着干细胞，然而却没有办法像涡虫一样再 生由受伤、缺失的器官由于已有模式生物普遍缺乏比较强大的再生能力，发展 新的用于研究干细胞调控机制及再生机理的模式生物就成 为迫切需求，于是淡水涡虫再次吸引了科学家的注意科研 人员希望利用涡虫这种相对简单的动物作为一把“钥匙”，试 图打开人类干细胞宝库的大门，调动人体内的干细胞资源， 为人类健康事业作一份贡献过去一个世纪，涡虫的再生能力尽管吸引了无数生物学 家的注意，但是由于分子生物学和细胞生物学工具的缺乏， 学术界对其再生的机理知之甚少 10年前，美国卡耐基研究所的桑切斯及其同事成功建立了淡水涡虫的一种一一地中 海涡虫的单克隆品系，结合当时发现的 dsRNA介导的基因沉默技术，使得涡虫领域重新焕发生机就在这十年间，国际上多个顶级科研单位均建立了以涡虫为模式生物的科研实验室，例如美国 Stowers研究所、Whitehead研究所、伊利诺伊大学香槟分校等日本、英国、 德国、印度等国家研究组也开展了涡虫的再生研究中国国 内则有中科院上海生科院健康所、清华大学、郑州大学、山 东理工大学等多个院所，也都开始开展与涡虫相关的研究。

近年来，一系列涡虫相关的研究工具被陆续开发由来： 例如转录组、基因组测序工作的陆续开展，生物信息学平台 不断完善，为涡虫作为模式生物奠定了基础；双链 RNA介 导的基因沉默方法可以敲低涡虫中任何一个基因来探索缺 失这些基因后对组织再生过程的影响；免疫荧光、原位杂交 等技术则可以用来将涡虫成体干细胞与其它终末分化细胞 在体内进行区分；而流式细胞分选技术则可以将涡虫成体干 细胞纯化由来进行体外的研究借助这些工具，以涡虫为模 型研究再生的机制在短短的十年间取得了令人瞩目的进展作为科学研究的模式动物，除了具有超强的再生能力， 涡虫还具有许多其他模式生物难以望其项背的优点首先，相对于其他用于再生研究的模式生物，涡虫再生 能力强、周期短实验室使用的涡虫大小在 0.5〜2厘米之间， 即使最小的涡虫切成 3段仍可以完成再生通常，从切割到 再生完成只需要一个星期左右，这大大缩短了实验周期，可 以在短时间内得到实验结果，为科研工作者节省了大量的等待时间第二，实验室用涡虫容易大规模饲养繁殖实验使用的 涡虫通常饲养在塑料饭盒内，一个 1L的塑料饭盒可以饲养大约100〜200只涡虫，而一个2平方米的饲养架大约可以 饲养200缸涡虫。

这就允许科研人员即使在有限的空间里也 可以有足够多的涡虫供实验使用，方便进行大规模的筛选试 验，从大量功能未知的基因中寻找原创性的、新颖的影响涡 虫再生的基因第三，涡虫中被称为 Neoblast的成体干细胞数量丰富 据文献报道，有增殖能力的干细胞占到涡虫虫体细胞的 25%由于这些干细胞的数目庞大，研究过程中容易利用生物化学 的方法进行显示，并且这个基数上的变化（比如干细胞类群 数目增加或减少）比较容易观察、统计，这对于科学研究提 供了极大的便利第四，涡虫是最简单的具有三胚层分化的模式生物，其 大部分基因和高等生物高度保守，并且具有较低的冗余性 科学研究表明，涡虫的基因超过80%和人类同源，涡虫干细 胞在损伤后早期的反应与人类等高等生物，也有惊人的相似 在涡虫中发现的再生机制，极有可能与高等生物中的机制是 相似的，理解这些基因的功能有利于理解高等生物成体干细 胞在再生中的调节方式，进而指导科研人员操作高等生物中 的干细胞最后，目前涡虫系统的分子生物学手段比较健全，已具 备特异的分子标志便于科研人员识别鉴定，遗传操作简单， 研究基因表达和功能的方法技术日趋完善，这些特点都允许 科研人员方便地进行在体的多能性研究，减少对离体的细胞 培养系统的依赖。

科研人员研究再生使用的涡虫属于涡虫纲中三肠目目 前使用的涡虫主要有两种，分别是欧美国家普遍使用的地中 海涡虫和东亚三角涡虫养在实验室里的涡虫，还挺娇贵一一它要住在常年恒温 的涡虫房中，水温保持 17〜21度之间；它所用的水， 必须用 无菌的纯水配制成含有一定浓度的钠钾钙镁等离子的盐溶 液；它的食物更是美味考究，每天喂食的是匀浆过的新鲜小 牛肝，或煮熟的鸡蛋蛋黄和摇蚊幼虫20年间令人瞩目的研究进展涡虫真的是完全地再生吗？再生由来的组织和原来的 组织完全一样吗？在再生过程中它怎么知道哪个地方要长 头，哪个地方要长尾巴？这么强的再生能力，难道再生中不 会由错吗？它会长肿瘤吗？人能不能像涡虫那样再生 呢？……如此多的疑问，使全球科学家们的兴趣不断发醉， 并直接推动了涡虫再生相关研究的飞速发展科学研究表明，涡虫的基因超过80%和人类同源，涡虫 干细胞在损伤后早期的反应与人类等高等生物，也有惊人的 相似近年来，越来越多的基因及信号通路被发现在组织再 生中具有重要的功能，科学家正在尝试操纵高等生物中类似 的基因来研究其是否同样具有相似的功能理解涡虫基因如 何协作调控再生，或许将有利于我们寻找人体器官再生、延 缓衰老过程的方法。

涡虫再生的秘密在于它体内存在一群丰富的干细胞，能 够通过不断的自我复制，产生与自己类似的细胞，并且在需 要的时候能变成其他。